REGISTRO DELLE LEZIONI a

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale Corso di laurea magistrale in Scienze Chimiche REGISTRO DELLE LEZIONI a dell' INSEGNAMENTO Nome: Chimica Fisica dei Materiali Innovativi codice: codice padre (se ins. a moduli): tenute dal Prof.Aggr. Massimo OTTONELLI Nell'anno accademico IL DOCENTE IL DOCENTE RESPONSABILE b IL DIRETTORE DEL DIPARTIMENTO c a Alla fine dell'insegnamento il Registro deve essere stampato, firmato e consegnato al Direttore del Dipartimento di riferimento del CdS. Copia elettronica (anche non firmata) deve essere inviata al Coordinatore del CCS e, qualora differente, al Direttore del Dipartimento di afferenza del docente. b Solo se l'insegnamento o modulo è tenuto da più docenti in codocenza ed il docente che compila il presente registro non è il docente responsabile. c Per Dipartimento si intende il Dipartimento di riferimento del CdS.

2 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale Corso di laurea magistrale in Scienze Chimiche Anno accademico: Insegnamento: Chimica Fisica dei Materiali Innovativi Codice: Codice padre (se a moduli) -- Docente: Massimo Ottonelli Riepilogo generale Numero lezioni totali 40 c Numero ore totali 32 Esercitazioni n. 0 N. esercitazioni in aula a 0 N. esercitazioni in laboratorio 0 Per n. gruppi di studenti Per n. gruppi di studenti 0 Ore complessive 0 0 Ore complessive 0 Totale ore frontali/docente 32 Totale ore frontali/studente 32 N. ore non svolte dal docente titolare b Lezioni:-- Esercitazioni in aula:-- Esercitazioni di laboratorio:-- Il Docente Note: a Si intendono esercitazioni condotte dal docente e facenti parte integrante dell'insegnamento e non esercitazioni integrative b Maggiori dettagli sono riportati nel riquadro relativo alle lezioni/esercitazioni per cui il docente si è fatto sostituire. Tali riquadri devono essere firmati sia dal docente titolare che dal sostituto. c Durata media di una lezione 48 minuti.

3 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 1 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 2 Introduzione al corso; informazioni generali. Definizione degli obiettivi del corso. Classificazione dei materiali (metallici, ceramici, polimerici, ecc...) e delle loro proprietà generali; principali campi di applicazione. Definizione di costo del ciclo di vita e costo energetico. Richiami sulle forze di legame intra e intermolecolare. Richiami sulle forze di legame intra e inter molecolare (continuazione). Legame ionico: derivazione dell energia reticolare, costante di Madelung, esempi. Legame covalente: cenni di carattere generale e richiami sulla natura quantistica di questo legame. Legame covalente: seconda parte. Richiami dei concetti base; modello VB e LCAO, per la descrizione di questo legame. Principio variazionale, con esempi. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 3 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 4 Richiami sul legame metallico e sua descrizione in termini di teoria LCAO; definizione di bande elettroniche, definizione di densità degli stati. Introduzione al potenziale chimico elettronico e defini-zione di livello di Fermi. Esempi sulle tipologie di struttura a bande per i metalli. Confronto con le bande elettroniche di sistemi isolanti e conduttori, effetto della temperatura. Forze intermolecolari: classificazione, esempi applicati ad OLED. Interazione ione-dipolo; Forze di Keesom; forze dispersive o di London, modello ad oscillatori accoppiati; legame idrogeno. Esempi e discussione, dipendenza dalla temperatura per i diversi tipi di interazione. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 5 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 6 Proprietà dello stato solido. Definizione di struttura cristallina, e sua descrizione in termini del prodotto di convoluzione tra un reticolo ed una base. Esempi descrittivi. Definizione di cella primitiva e unitaria, metodo di Wigner-Seitz per determinare una cella primitiva. Introduzione (cenni) ai reticoli di Bravais, con esempi. Proprietà dello stato solido. Correlazione tra vettori reticolari e volume della cella. Indici cristallografici di Miller (piani e vettori) costruzione ed esempi. Reticolo reciproco: sua definizione e correlazione con il reticolo diretto. Relazione tra i vettori dello spazio diretto e reciproco. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 7 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 8 Definizione delle zone di Brillouin, esempi. Cenni alla nomenclatura dei "luoghi" caratteristici della prima zona di Brillouin. Definizione di spazio e reticolo reciproco. Gas di Fermi; analisi di un sistema di elettroni non soggetti ad un potenziale. Discussione dei risultati sperimentali che portano al modello di Drude. Addì Soluzione e discussione della buca di potenziale infinita caso mono e tridimensionale. Concetto di vettore d onda e connessioni con lo spazio reciproco. Gas di Fermi; discussione sulla validità del modello ed esempi di applicazione; caso dei plasmoni. Discussione di alcuni risultati sperimentali. Introduzione al teorema di Block e sue connessioni con le proprietà di invarianza traslazionale di un reticolo. Correlazione con lo spazio reciproco. Addì

4 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 9 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 10 Teorema di Block: richiami alla precedente lezione, analisi delle condizioni al contorno di Sommerfeld o di Born von Karman, esempi. Riduzione alla prima zona di Brillouin (equivalenza delle funzioni di Block tra due vettori d onda correlati da un vettore reticolare). Definizione delle tipiche rappresentazioni delle relazioni di dispersione. Addì Teorema di Block: significato fisico delle funzioni di block e loro corrispondenza con il caso molecolare. Definizione di orbitale cristallino. Introduzione alle matrici circolanti e discussione del corrispondente problema agli autovalori. Introduzione al modello di Kronig e Penney. Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 11 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 12 Elettroni quasi-liberi: modello di Kronig e Penney; effetto di un potenziale periodico su di un gas di Fermi. Discussione del modello e formazione del band-gap come conseguenza della formazione di onde stazionarie. Distribuzione di Fermi-Dirac; derivazione della funzione di distribuzione e sua analisi; significato fisico della costante di integrazione: il potenziale chimico (elettrochimico). Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 13 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 14 Dipendenza del potenziale chimico dalla temperatura, esempi con discussione. Densità degli stati; richiami alla sua definizione e formalizzazione. Derivazione, con dimostrazione della sua espressione generale. Densità degli stati; esempi di applicazione della formula generale nel caso gas di fermi 3D, 2D, 1D e 0D. Esempi di importanza della dipendenza dimensionale; effetti termoelettrici. Esempio del calcolo della densità degli stati per un semiconduttore. Introduzione al concetto di massa efficace. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 15 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 16 Proprietà dello stato solido (fin). Massa efficace: definizione e significato fisico, correlazione con la relazione di dispersione dell energia. Esempi. Introduzione generale, importanza dei sistemi coniugati per le loro applicazioni nel campo dell elettronica; caratteristiche generali. Continuazione relativa alla parte descrittiva generale delle proprietà chimico-fisiche dei sistemi coniugati, correlata con esempi. Importanza degli effetti di correlazione elettronica e di interazione tra gli elettroni pi-greco con il backbone. Introduzione al concetto di Hamiltoniane efficaci. Addì Addì

5 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 17 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 18 Concetto di Hamiltoniana efficace (continuazione, discussione sulle implicazioni fisiche. Modello di Huckel per i sistemi coniugati. Cenni sul modello di Huckel esteso. Definizione di ordine di legame e carica lorda. Esempi: etilene, 1,3- butadiene, benzene e ciclobutadiene. Nell ultimo caso sono evidenziati alcuni limiti del modello di Hückel e come sono stati risolti. Addì Applicazione del modello di Hückel al generico poliene lineare e ciclico (annulene) con le condizioni al contorno di Sommerfeld e Born von Karman. Discussione dei risultati e confronto con il modello di Kronig e Penney. Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 19 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 20 Calcolo della densità degli stati per il poliene e limiti del modello: predizione di comportamento metallico. Singolarità di van Hove. Discussione sui limiti del modello (con richiami al caso del ciclobutadiene) e sua estensione. Effetto dei legami sigma. Esempi. Studio della cella dimerizzata (applicazione delle matrici circolanti) effetto distorsione di Peierls ed effetti sulla dispersione di banda. Analisi degli effetti di interazione elettrone-distorsione geometria del poliene. Cenni modello SSH. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 21 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 22 Caso bidimensionale, grafene. Aspetti generali; proprietà meccaniche e chimico fisiche, metodi di preparazione. Carta di grafene e cenni sulla struttura cristallografica della grafite. Analisi della cella elementare del grafene nel reticolo diretto e reciproco. Proprietà elettroniche: rappresentativa dell operatore Hamiltoniano secondo Hückel e sua risoluzione. Addì Grafene: derivazione della relazione di dispersione dell energia e sua rappresentazione grafica. Analisi della I zona di Brillouin Irriducibile e andamento dell energia. Cenni al caso della grafite e alcune implicazioni avanzate su alcuni effetti relativistici degli elettroni del grafene. Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 23 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 24 Grafene: conclusione con l'applicazione della thight binding theory in confronto con l'approccio di Hückel. Nanotubi: esempio di sistema 3D coniugato, proprietà generali, metodi di preparazione e nomenclatura. Sistemi coniugati (fine). Nanotubi: proprietà elettroniche in relazione al vettore chirale. Derivazione della relazione di dispersione dell energia e correlazione con il grafene. Cenni ad alcuni aspetti relativi alla simmetria dei punti K e distribuzione delle tipologie di nanotubi. Addì Addì

6 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 25 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 26 Semiconduttori organici/inorganici Richiami generali su alcune definizioni di base (densità di corrente, velocità di drift, conducibilità, ecc..). Modello classico per descrivere la conducibilità e dipendenza: dalla temperatura, dalla concentrazione di difetti. Esempi. Semiconduttori organici/inorganici (cont.) Derivazione della densità di corrente, modello classico, in presenza di campo elettrico e magnetico. Derivazione della natura tensoriale della conducibilità elettrica. Effetto Hall e natura dei portatori di carica. Esempi. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 27 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 28 Semiconduttori organici/inorganici parte 2 Conducibilità derivazione dell equazione di trasporto di Boltzmann non-lineare e lineare. Sue implicazioni ed esempi. Discussione del suo significato fisico e correlazione con la conducibilità. Cenni sull effetto dei difetti e del campo magnetico. Semiconduttori organici/inorganici parte 3 Conclusioni sulla descrizione dell equazione di trasporto di Boltzmann introducendo l effetto dei difetti e del campo magnetico. Introduzione alla legge dell azione di massa. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 29 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 30 Semiconduttori organici/inorganici parte 4 Legge dell azione di massa, sua derivazione sia dal modello di equilibrio che dal computo diretto della concentrazione dei portatori di carica. Semiconduttori organici/inorganici parte 5 Conclusione discussione legge azione di massa, e condizioni dell'approssimazione di Boltzman casi dei semiconduttori degeneri. Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 31 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 32 Semiconduttori organici/inorganici parte 6 Drogaggio nei semiconduttori inorganici, modello idrogenoide. Confronto, con esempi, tra le energie di ionizzazione e raggio dell orbita corrispondente allo stato a minor energia. Semiconduttori organici/inorganici parte 7 Derivazione del numero effettivo degli elettroni di conduzione e definizione fisica della lacuna elettronica. Numero effettivo di elettroni di conduzione e definizione fisica della lacuna elettronica. Addì Addì

7 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 33 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 34 Semiconduttori organici/inorganici parte 8. Esempi relativi al moto di elettroni/buche nella banda di conduzione. Descrizione delle condizioni relative al limite di Boltzmann e sue implicazioni. Analisi della velocità di gruppo, massa efficace per il moto di un portatore di carica per un reticolo monodimensionale dimerizzato e non dimerizzato. Confronto con comportamento lacune. Legge dell'azione di massa per i semiconduttori drogati e sua discussione. Esempi. Addì Semiconduttori organici/inorganici parte 9 Proprietà ottiche dei semiconduttori, coefficienti di assorbimento per band gap diretto e indiretto. Effetto dei fononi. Esempi con discussione della dipendenza del coefficiente di assorbimento da vari parametri fisici (campo elettrico, magnetico, drogaggio, ). Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 35 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 36 Semiconduttori organici/inorganici parte 10 Conclusione sui fattori fisici che influenzano il coefficiente di assorbimento in un semiconduttore inorganico; effetto Burstein-Moss. Confronto con le proprietà ottiche dei semiconduttori organici, in funzione della natura delle specie eccitoniche: Wannier-Mott, a trasferimento di carica, Frenkel. Addì Semiconduttori organici/inorganici parte 10 Differenza tra band gap ottico e di trasporto nei semiconduttori inorganici ed organici. Effetti della organizzazione supramolecolare per i sistemi organici. Introduzione agli effetti di drogaggio nei semiconduttori organici; esempio del poliacetilene. Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 37 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 38 Semiconduttori organici. Proprietà ottiche ed effetti di aggregazione, natura dei portatori di carica nei sistemi organici: solitoni, polaroni e bipolaroni. Tipologie di drogaggio nei semiconduttori organici ed effetti di tipo secondario, confronto con i sistemi inorganici. Semiconduttori organici. Meccanismi del trasporto dei portatori di carica nei semiconduttori organici (cenni) casi limite del trasporto per hopping e banda. Modello di Marcus, cenni e parametri fondamentali dell equazione (modello diabatico). Addì Addì ARGOMENTO DELLA LEZIONE 39 ARGOMENTO DELLA LEZIONE 40 Dispositivi Celle solari: funzionamento, confrontato con i processi fondamentali analizzati negli OLED. Proprietà generali e parametri di funzionamento. Caratteristiche degli elettrodi ed importanza dell energia di legame dell eccitone. Criteri di scelta per le coppie donore/accettore. Addì Semiconduttori organici/dispositivi. Cenni relativi ai meccanismi di trasporto dei portatori di carica nei semiconduttori organici da banda a hopping. Modello di Marcus; equazione e significato fisico dei suoi termini. Classificazione degli OLED e descrizione del loro funzionamento, tipiche tipologie di anodi e catodi utilizzati in questi dispositivi. Processi principali e loro discussione; iniezione di carica, trasporto, generazione eccitone, sua annichilazione. Addì